[发明专利]一种高安全型高能量密度锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，尤其一种有效控制电池热失控、极大提高电池安全性与提高电池性能的高安全型高能量密度锂离子电池。

背景技术

来自环境污染和石油资源匮乏的双重压力极大地推动了电动汽车的发展。锂离子电池因比能量高、循环性能好等显著优势，成为车用动力电池研发的重点。然而，不断发生的安全性事故严重地阻碍了大容量和高功率锂离子电池的商业化应用。锂离子电池安全性事故诱因很多，诸如过充、短路、挤压、振动、碰撞等，但从发生的机制看，不外乎电压失控和热失控二者。一方面，由于使用有机溶液电解质，不像水溶液电解质那样能够可逆的分解复合，因而在过充状态时容易发生不可逆氧化分解，产生可燃性气体并放出大量热，导致电池内部温度及压力急剧上升，引发热失控甚至爆炸。另一方面，由于电池内部存在许多可能发生的放热反应，使用过程中如果出现内外部短路现象必将引起电池内部温升。一旦内部温度上升至120℃时，碳阳极表面钝化膜(即SEI膜)难免发生分解，失去钝化膜保护的高活性嵌锂碳电极即与有机电解液之间发生剧烈反应，放出大量可燃性气体和热量，从而导致电池内部发生燃烧等危险。由此可以看出电压失控最终也会表现为热失控进而使电池产生危险，所以解决锂电池安全问题的关键点就是防止热失控。

PTC：Positive Temperature Coefficient正温度系数

目前防止锂离子电池热失控的方案主要有：(1)在电池组外部附带PTC元件，当电池组温度升高到PTC元件的居里温度时，PTC元件内阻迅速增大，从而切断电流防止电池组温度进一步升高；(2)采用无机氧化物陶瓷(如氧化铝)修饰的耐热涂层隔膜(或电极)，虽然耐热涂层可以有效防止因温度升高致使隔膜收缩而引起的内部短路；(3)将PTC电极涂覆与电极集流体与活性物质之间，这样能随时感知电池内部由于过流或内部短路而产生的温度变化，降低或阻断通过的电流。

上述提到的三种方案都有各自的缺陷，分别是：(1)电池组外部附带的PTC元件能够监控由于外部短路，过充等滥用情况引起的热失控，但是由于它远离电极电解液界面，对电池内部热失控不能起到及时的监控和抑制作用；(2)无机氧化物陶瓷(如氧化铝)修饰的耐热涂层隔膜(或电极)，虽然耐热涂层可以有效防止因温度升高致使隔膜收缩而引起的内部短路，但是对由于过热引起的其他副反应和外部短路、过充等引起的热失控却无能为力；(3)PTC涂层虽然对外部和内部的热失控都能起到一定的保护作用，但是PTC涂层增加了集流体与活性物质之间的接触阻抗，对电池的倍率性能影响较大，并且PTC涂层会降低电池的能量密度，另外这样的一层涂层也无形中增大了制造工艺的复杂性。

发明内容

本发明的目的在于为了解决现有技术在控制锂电池热失控技术上不能兼顾外部和内部热失控的缺陷而提供一种有效控制电池热失控、极大提高电池安全性与提高电池性能的高安全型高能量密度锂离子电池。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高安全型高能量密度锂离子电池，所述电池包括正极、负极、隔膜、电解液，极耳以及外壳，用隔膜将正极和负极隔开，卷绕或者叠片形成电芯，极耳分别焊接在正负极极片上，将电芯封装进电池外壳中注入电解液并密封得到电池，以磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍钴铝或镍钴锰三元材料为正极活性物质的主材料，以纳米碳管包覆的氧化铟、聚苯胺、石墨烯、聚苯乙烯磺酸盐与粘结剂为正极活性物质副材料，正极与负极的极耳涂覆有PTC涂层。在本技术方案中，在锂电池极耳位置处涂覆了一层PTC涂层，使得电池在热失控的初期就能通过PTC涂层的保护实现断路，从而控制了热失控的进一步发生，防止了电池起火爆炸等危险状况。

作为优选，主材料与副材料的质量比为3-5：1，副材料中各种组分的重量份为:50-60份聚苯胺、30-35份氧化石墨烯、40-50份聚苯乙烯磺酸盐、10-15份粘结剂与40-45份纳米碳管包覆的氧化铟。在本技术方案中，聚苯胺、氧化石墨烯、聚苯乙烯磺酸盐与纳米碳管包覆的氧化铟作为正极活性物质的副材料，具有很高的导电率、高机械强度与耐腐蚀性，能够提高正极活性物质的电子传导能力，。因此聚苯胺、氧化石墨烯、聚苯乙烯磺酸盐与纳米碳管包覆的氧化铟作为正极活性物质的副材料，既能提高电池性能，又能提高耐腐蚀性，延长锂离子电池的寿命。